JP2023508431A - 音響トランスデューサ構造 - Google Patents

Abstract

パラメトリックオーディオのステアリングには、臨界間隔を定義する必要がある。導波路がある場合とない場合の両方でステアリング測定値を比較すると、拡散した葉序型のグレーティングローブがオーディオに寄与し、ステアリング不良の原因であるという結論に至る。さらに、導波路は、パフォーマンスに必要なステアリングを実現するために、正しい位相オフセットで機能する必要がある。アレイ構成が直線から別の分布に変化するようにチューブを配置することは、導波路が臨界間隔に達していない場合やスペースに制約がある場合に役立つ。アレイ設計は、グレーティングローブエネルギーの拡散を促進する不合理な間隔を持つトランスデューサタイリングの利点を持ちながら、直線的なトランスデューサ設計を利用することもできる。【選択図】 図１Ｃ

Description

先願

本出願は、（１）令和１年１２月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／９５３，５７７号および（２）令和１年１２月２７日に出願された米国仮特許出願第６２／９５４，１７１号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、空中ハプティクスシステムで使用される音響トランスデューサ構造の改善された技術に関する。

本明細書で説明するように、「フェーズドアレイ」という用語は、同じ空間に突出し、個別にアドレス指定することができる送信機のグループを指す。特定の信号を選択するか、モノクロアレイの場合は位相と振幅を選択することにより、送信機のグループが放射フィールドを形成することができる。空気中の超音波フェーズドアレイの場合、音場を集束させ、発散させ、ビームに成形し、一般に他の多くの形に再配置することができる。成形および操作された超音波場の用途には、空中ハプティクス、指向性オーディオ、および物理的な素材やシーンのイメージング（画像化）が含まれる。

フェーズドアレイを介したステアリング（操作）では、要素の間隔が臨界間隔を超えている場合、グレーティングローブが発生する可能性がある。これにより、音のエネルギーが意図しない方向に放出されることになる。アレイを臨界間隔に近づけるために、音響導波路構造を使用することができる。Ｊａｇｅｒ等（２０１７ ＩＥＥＥ）は、導波路構造を使用したビームステアリングを実証した。Ｊａｇｅｒは、グレーティングローブの減少を示しているが、ハプティクスやパラメトリックオーディオに関してその結果を認識または実証していない。

さらに、本明細書では、直線的なトランスデューサ設計を利用することを意図したアレイ設計について説明するが、かかるアレイ設計は、グレーティングローブエネルギーの拡散を促進する不合理な間隔を有するトランスデューサタイリングの利点を有する。

放射フェーズドアレイシステムのトランスデューサを配置すると、波長、素子サイズ、素子間の分離距離、および間隔の幾何学的均一性などのパラメータに応じて、望ましくない余分な特徴が生じる。

波長が短くなるにつれて、ある波長で測定したときの素子サイズおよび分離距離が増加する。これらが、一定のサイズを超えると、グレーティングローブが現れて出力を歪め、極端に大きくなると、望ましくない余分な出力焦点が作成される。

商業上の理由から、要素のサイズおよび間隔とは無関係に周波数を設定することが必要な場合があり、幾何学的な間隔の均一性を備えた構造では、焦点を生成するために作動したときに、望ましくない余分な出力焦点が現れる。この場合、唯一の変更可能なパラメータはジオメトリの均一性である。しかしながら、商業的には、材料を無駄にせず、高い充填密度を持ち、製造に必要なステップの数と複雑さを最小限に抑えるトランスデューサを作成することが有益である。

本明細書で開示される１つの重要な革新は、パラメトリックオーディオのステアリングには臨界間隔に近づくことが必要であることを認識することである。超音波シミュレーションまたは測定データを見ると、拡散した葉序型のグレーティングローブがそれほど多くのオーディオに寄与していることは明らかではない。また、オーディオの測定だけでは、グレーティングローブがステアリング不良の原因であるという結論には至らない。その結論に達するには、導波路がある場合とない場合のステアリング測定値を比較する必要がある。さらに、導波路は、パフォーマンスに必要なステアリングを実現するために、正しい位相オフセットで機能している必要がある。

さらに、Ｊａｇｅｒ等は、等しい長さのチューブを使用した操作のみを示しており、他の可能性については説明していない。本明細書では、異なる長さのチューブが同等に機能し、はるかに多様な形状を可能にする。また、アレイ構成が直線から別の分布に変化するようにチューブを配置することは、自明ではない用途であり、導波路が臨界間隔に達していないか、スペースに制約がある場合に利点がある。

さらに、本明細書は、グレーティングローブエネルギーの拡散を促進するために不合理な間隔を有するトランスデューサタイリングの利点を有しながら、直線トランスデューサ設計を利用することを意図したアレイ設計について説明する。

以下の詳細な説明とともに、同様の参照番号が同一または機能的に類似の要素を個別の図全体にわたって指す添付の図面は、明細書に組み込まれ、その一部を形成し、特許請求される発明を含む概念の実施形態をさらに示し、それらの実施形態の様々な原理および利点を説明するのに役立つ。

図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、導波路の構成を示す図である。

図２は、グレーティングローブ抑制シミュレーションを示す図である。

図３は、グレーティングローブ抑制シミュレーションを示す図である。

図４は、レーザードップラー振動計のスキャン画像を示す図である。

図５は、トランスデューサの配置を葉序らせんとして示す図である。

図６は、シミュレーションにおける図５の効果を示す図である。

図７Ａおよび７Ｂは、直線アレイの超音波音響シミュレーションを示す図である。

図８Ａおよび８Ｂは、葉序らせん状に配置されたアレイを使用した超音波音響シミュレーションを示す図である。

図９は、葉序らせん状に配置されたアレイのトーン生成のオーディオステアリング性能を示す図である。

図１０は、葉序らせん状に配置されたアレイのトーン生成のオーディオステアリング性能を示す図である。

図１１は、直線アレイを使用したパラメトリックオーディオビームのステアリングを示す図である。

図１２は、直線アレイを使用したパラメトリックオーディオビームのステアリングを示す図である。

図１３は、直線アレイを使用したパラメトリックオーディオビームのステアリングを示す図である。

図１４は、トランスデューサアレイからのパラメトリックオーディオの周波数応答を示す図である。

図１５は、葉序らせんにおける点集合のボロノイ図である。

図１６は、葉序らせん状に配置された円形変換器を有するプロットを示す図である。

図１７は、葉序らせん状に配置された正方形の変換器を有するプロットを示す図である。

図１８は、トランスデューサの直線的に整列された配置を示す図である。

図１９は、トランスデューサ要素の正方格子のブラッグ回折を示す図である。

図２０は、トランスデューサのバイナリタイリングを示す図である。

図２１Ａおよび２１Ｂは、バイナリタイリングのブラッグ回折を示す図である。

図２２Ａおよび２２Ｂは、風車タイリングおよびそのブラッグ回折を示す。

図２３は、風車フラクタル構造に存在する直角三角形のモチーフを示す図である。

図２４は、１：２の縦横比（アスペクト比）を有する左手および右手の「ドミノ」アレイのための矩形アレイ設計を示す。

図２５は、「正方形」アレイの４つの変形の設計を示す図である。

図２６は、ヘルムホルツ方程式を用いた固有モードのシミュレーションを示す図である。

図２７は、圧電アクチュエータの曲げモードの最大ｚ偏向のシミュレーションを示す図である。

図２８は、圧電アクチュエータの曲げモードに対する最大ｚ偏向のシミュレーションを示す図である。

図２９は、正方形のユニットセルを新しい配置に配置するための基本的なステップを詳述するシミュレーションを示す図である。

図３０は、図２９を再帰的に拡張して要素のより大きなアレイを構築する方法を示すシミュレーションを示す図である。

図３１は、回転またはミラーリングまたはその両方によって提供される変動の可能性を示すシミュレーションを示す図である。

図３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃおよび３２Ｄは、回転を使用して構成された正方形トランスデューサの要素アレイの例を示す図である。

図３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃおよび３３Ｄは、ミラーリングを使用して構成された正方形トランスデューサの要素アレイの例を示す図である。

図３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃおよび３４Ｄは、回転およびミラーリングを使用して構成された正方形トランスデューサの要素アレイの例を示す図である。

図３５は、正方形トランスデューサを使用してシミュレートされた再帰的オフセットアレイを示すグラフである。

当業者は、図中の要素が単純化および明確化のために示されており、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことを理解するであろう。例えば、図中のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を深めるのを助けるために、他の要素に対して誇張されている場合がある。

装置および方法の構成要素は、必要に応じて、図面内の従来の記号によって表され、本発明の実施形態を理解するのに関連する特定の詳細のみを示して、本明細書の説明の恩恵を受ける当業者に容易に明らかとなる開示を不明瞭にしないようにしている。

発明の詳細な説明

Ｉ．音響導波路構造を用いた超音波フェーズドアレイのステアリング

Ａ．序論

超音波フェーズドアレイを使用する際に発生する制限は、グレーティングローブの現象である。これは、トランスデューサの特定の配置が、出力の誤ったローブの形をとる意図しない方向へのエネルギーの漏れを生成する効果を生じる。この効果を説明するために、中心間の間隔がａのトランスデューサの線形アレイを考えてみる。それらがすべて同相で超音波を生成している場合、それらは線源に似たフィールド（場）を生成し、トランスデューサのアレイに対して垂直に取られた断面は、円形の発散波面を明らかにするが、トランスデューサの面には、トランスデューサから直接離れて突き出た実質的に線形の波面が存在する。ここで、その平面の垂線から角度θの別の方向を考える。あるトランスデューサから放射された球状に発散する波面が別のトランスデューサに接続する前のその方向に沿った距離は、ｄ＝ａ×ｓｉｎθで与えられる。この距離が１波長に等しい場合、その方向に沿ってすべての波が建設的に加算される。その角度での建設的な干渉の結果が、グレーティングローブである。この角度は、θ＝ｓｉｎ^－１（λ／ａ’）で与えられ、λは超音波の波長である。これは、この場合のグレーティングローブが間隔ａに依存し、それが波長λとどのように比較されるかを示している。例えば、ａがλより小さい場合、解は存在せず、したがって、グレーティングローブは、この配置および放出シナリオには存在しない。

フェーズドアレイのグレーティングローブは広範囲に研究されており、注意深く分析した結果、トランスデューサの間隔が波長の半分（λ／２）以下の場合、配置に関係なくすべてのグレーティングローブが除去されることが示されている（Ｗｏｏｈ＆Ｓｈｉ，１９９９）。これは「臨界間隔」と呼ばれる。臨界間隔で配置されたトランスデューサを備えた線形または平面アレイは、グレーティングローブアーティファクトなしで目的のフィールドを達成することができる。上述したように、アレイから直角に生成されたビームのグレーティングローブは、システムが波長間隔（λ）、または臨界間隔の２倍に近づくと消失する。ただし、ビームを直接垂直以外の方向に移動またはステアリングする場合には、その配置では、システムがステアリングを開始するとすぐにグレーティングローブが現れる。波長間隔（λ）と臨界間隔（λ／２）との間には、グレーティングローブなしで、ますます大きな角度にステアリングできるアレイのクラスが存在する。これは、より大きなトランスデューサがより強い音場を提供する傾向があるため、大きなステアリング角度が必要ない場合に有益である。そのため、必要な数が少なくなり、システムの設計が簡素化されます。

超音波トランスデューサのジオメトリは、使用される材料、作動要素、整合層、共振空洞、およびトランスデューサ要素設計の他の多くの側面を含む多くの要因によって決定される。臨界間隔を達成できる変換要素を設計することは困難な場合がある。さらに、奇妙な形状の要素は、葉序らせんなどのグレーティングローブからの二次集束を軽減する配置を妨げる可能性がある。ここで提示される発明は、音響出力を導波路の反対側の端にある第２の開口に向けるトランスデューサまたはトランスデューサのアレイの上に直接取り付けることができる一連のチューブまたは導波路経路である。生成された音場の観点からは、トランスデューサの開口が、フェーズドアレイの幾何学的配置に関して、この第２の開口に実質的に置き換えられたように見える。このような幾何学的配置の１つでは、導波路を使用して、トランスデューサの空間的配置を、例えば、直線から葉序らせんに調整することができる。別の構成では、臨界間隔を達成できるように開口を縮小することができる。

図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、このイノベーションの例示的な構成１００を様々な図で示している。図１ＡのＡ－Ａ１４０によって断面が示される、上側および下側に先細りの開口部１２０、１３０を有する直線アレイが示されている。これらの開口部１２０、１３０は、図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃに示されるように、部材１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１１０ｄによって取り囲まれている。

具体的には、この導波路は、４０「ｋＨｚ」で動作する１．０３「ｃｍ」の間隔で配置された直径１「ｃｍ」の円形トランスデューサの１６×１６直線アレイ１２０に結合する。導波路は、５「ｍｍ」間隔の円形開口部への直線テーパー経路を形成する。海面および標準状態では、４０「ｋＨｚ」の波長は８．６「ｍｍ」である。したがって、導波路は、アレイの見かけのジオメトリを１．２λ間隔から０．５８λ間隔に変換し、０．５λ臨界間隔にかなり近づく。言い換えれば、これは、１０ｍｍ ４０ｋＨｚトランスデューサの１６×１６直線アレイを臨界間隔（５ｍｍ）近くの間隔に変換する導波路の例を示している。

図２および図３は、この新しいより狭い間隔の有効性を示している。図２は、［ｘ，ｙ，ｚ］＝［４０ｍｍ，０，１５０ｍｍ］に焦点を合わせたグレーティングローブ抑制のグラフ２００を示す。ｘ軸２１０はｍｍ単位の位置である。ｙ軸２２０はｄｂである。通常のプロット２３０は、導波路プロット２４０と比較される。

図２では、焦点が［ｘ，ｙ，ｚ］＝［４０「ｍｍ」，０，１５０「ｍｍ」］に投影され、マイクロホンがｚ＝１５０「ｍｍ」でｘ次元を横切ってスイープされる。通常の配置と導波路配置の両方で、ｘ＝４０「ｍｍ」に明確な焦点が観察される。しかしながら、広く間隔を空けた規則的な配置では、グレーティングローブによって引き起こされる２次焦点がｘ＝－１１０「ｍｍ」ですぐに表れる。導波路によって可能になる、より狭い間隔は、二次焦点の作成を防ぐ。

図３は、焦点がｘ＝８０「ｍｍ」に投影された同様の実験的測定のグラフ３００によるグレーティングローブ抑制の別の例を示している。ｘ軸３１０はｍｍ単位の位置である。ｙ軸３２０はｄｂである。通常のプロット３３０は、導波路プロット３４０と比較される。

図３は、より大きな角度にステアリングする場合に臨界間隔に接近する必要性を示している。この場合、二次焦点は、意図された焦点とほぼ同じ大きさである。繰り返しになるが、導波路によって可能になる狭い間隔により、グレーティングローブがなくなる。

更なる実験的検証が図４に示され、これは音場の一連の走査レーザードップラー振動計走査画像４１０、４３０である。この方法では、ソリッドマイクロホンを使用して音場を乱すことなく、音場を直接的に画像化することができる。マイクロホンのデータと同様に、ステアリング４２０を使用しない場合や、４５°の角度（符号４４０）にステアリングした場合でも、グレーティングローブは観察されない。

Ｂ．集束超音波用導波路

空中ハプティクスは、特殊な高圧音場、典型的には変調された焦点を使用して、人体に振動触覚を生成する。グレーティングローブは、変調される２次フィールドを発生させる可能性があり、それによって意図しない場所にハプティクスが作成される。

グレーティングローブが二次焦点を形成するのを防止する１つの方法は、放射アレイを疑似ランダム配置に配置することである。図５は、７ｍｍトランスデューサ５３０の１つのそのような配列５００を葉序らせんとして示す。ｘ軸５１０およびｙ軸５２０はメートル単位である。挿入された四角形５４０は、直線配置に詰め込まれた同じトランスデューサのアレイの範囲を示す。この構成には規則的な空間周波数が含まれていないため、グレーティングローブが二次焦点を形成するのを防ぐ。

図６は、シミュレーション６００における図５の効果を示す。ｘ軸６１０およびｙ軸６２０はｍｍ単位である。グレースケールは圧力（任意）単位である。ここで、ｚ＝２０「ｃｍ」でアレイに平行なｘ－ｙ平面６４０のフィールドは、焦点６３０がｘ＝１０「ｃｍ」およびｚ＝２０「ｃｍ」に配置されたときにシミュレートされる。同様の密度の直線アレイのグレーティングローブの焦点は、約ｘ＝５「ｃｍ」に現れる。葉序配置は、この二次焦点を負のｘドメインの大きな弧に分配する。しっかりと焦点を合わせないと、グレーティングローブは触覚的な感覚を生成しない。

葉序配置の明確な欠点の１つは、大きな間隔が必要とされる点である。図５の挿入された正方形５４０は、同じトランスデューサが直線的に詰め込まれた場合のアレイの範囲を示している。葉序らせん配列のサイズが大きくなると、スペースが限られているそのような配列を使用できなくなり、製造コストが増加する可能性がある。

導波路構造を使用して、直線トランスデューサアレイを、葉序らせん配列、またはグレーティングローブエネルギーを分配する類似の疑似ランダム出口パターンに接続することが可能である。１つの構成では、設計は、各トランスデューサから最も近い出口開口までの直線チューブからなる。出口配置のサイズと形状によっては、チューブの交差を防ぐために反復設計が必要になる場合がある。これにより、測定またはシミュレートされた位相オフセットをステアリング計算に含める必要がある異なる長さのチューブも作成される可能性がある（以下で説明する）。

しかしながら、出口アパーチャが臨界間隔に近い場合、疑似ランダム配置は必要ない。ただし、ハプティクスの場合、これはいくつかの欠点につながる可能性がある。例えば、出口開口部を小さくすると、有効な焦点深度は同様の距離で増加する。焦点を絞らないと、ピーク圧力が低くなり、ハプティック効果が低下する可能性がある。同時に、臨界間隔によってステアリング能力が向上するため、アレイに近い大きなステアリング角度でもフォーカス形状が維持される。アプリケーションに応じて、低減されたグレーティングローブ、焦点深度、および出口開口サイズ間の相互作用を最適化する導波路を設計することができる。

Ｃ．パラメトリックオーディオ用導波路

パラメトリックオーディオは、可変周波数の超音波が存在するときに空気中の非線形歪みによって可聴音が生成される効果である。超音波の短波長域をコントロールすることで、従来のスピーカーでは不可能だった音のコントロールが可能となる。

パラメトリックオーディオ効果の最も一般的な用途は、超音波のビームに続くオーディオのビームを生成することである。ビーム内では、存在する大きさと相対周波数に比例して、すべてのボリューム要素でオーディオが生成される。可聴音が生成された後、超音波に比べて波長が大きいため、音はさらに広がる。ただし、可聴音の最大の大きさは超音波ビーム内に存在するため、さらなるパラメトリックオーディオ生成によって強化される方向にのみ存在する。

図７Ａおよび７Ｂは、ステアリング角３０°でビームを生成する１．２λ間隔の直線アレイの超音波音響シミュレーション７００を示す。グレーティングローブビームが明確に見え、ステアリング方向とは逆方向に向けられている。図７Ａでは、シミュレーション７３０は、２つの音声ビームを示し、それぞれが独自の超音波ビームに沿って向けられている。最終的な結果は、システムの認識される方向性と特定のユーザーをターゲットにする能力を制限する、２つの発散するオーディオビームになる。図７Ｂでは、シミュレーション７３０は、負のｙステアリング角度で現れるグレーティングローブ７７０を示している。

図８Ａおよび８Ｂは、１．２λ直線アレイに匹敵する充填密度を有する葉序らせん配置のアレイを使用する超音波音響シミュレーション８００を示す。３０°の正のｙ方向にビームを投影する臨界間隔より上の葉序らせん配置された超音波アレイのシミュレーションである。図８Ａでは、シミュレーション８３０は、トランスデューサの疑似ランダム配置がグレーティングローブで見出されたエネルギーを大きな弧に分配することを示している。一見すると、この拡散した低強度の超音波アークが重要なパラメトリックオーディオを生成できるかどうかは明らかではない。図８Ｂでは、シミュレーション８６０は、グレーティングローブ８７０が分布し、負のｙ方向に向けられているが、直線配置と比較すると、はるかに拡散していることを示している。

図９および図１０は、それぞれ１０°および３０°で約１．２λのパッキング密度を持つ葉序らせん状に配置された６１「ｋＨｚ」アレイの１「ｋＨｚ」トーン生成のオーディオステアリング性能を示している。図９のグラフ９００は、ｘ軸９１０が角度（°）であり、ｙ軸９２０がＳＰＬ（ｄｂ）であるプロット９３０を有する。図１０のグラフ１０００は、ｘ軸１０１０が角度（°）であり、ｙ軸１０２０がＳＰＬ（ｄｂ）であるプロット１０３０を有する。

この測定値は、広い部屋でアレイの法線に対して特定の角度で測定されたオーディオ サウンド レベルを示す。比較的小さな１０°のステアリング角度でも（図９）、放出されたオーディオの測定値はアレイに対して対称ではない。３０°などの極端な角度（図１０）にステアリングすると、ポーラープロファイルは、約－２０°前後の意図しない角度で、意図した＋３０°のステアリングよりも大きな振幅でサウンドが出ていることを示している。これは、図８でシミュレートされたグレーティングビーム／アークの角度にほぼ対応する。この予期しない結果が生じるのは、グレーティングビームが空間的に低いピーク圧力を有するが、そのサイズと空間範囲とがこの強度の不足を補うためである。前述のように、パラメトリックオーディオが生成されると、波長が長いため、超音波よりも容易に回折および拡散する。したがって、任意の断面で、グレーティングビーム内の低強度ソースのアーク全体が、その一般的な方向のパラメトリックオーディオに寄与する。その結果、葉序スパイラル配置アレイは役に立たないだけでなく、直線または六角形パックアレイと比較してパッキング密度が低いため、超音波フェーズドアレイからのパラメトリックオーディオステアリングパフォーマンスを積極的に損なうことになる。

幸いなことに、臨界間隔に近づいているアレイは、グレーティングローブエネルギーが完全に欠如しているため、パラメトリックオーディオのステアリングに役立つ。

図１１は、角度（°）のｘ軸１１１０およびｄＢ単位のｙ軸１１２０を有するグラフ１１００を示し、通常のプロット１１３０および導波路のプロット１１４０を有する。具体的には、図１１は、図１に示されている１．２λ（通常）の直線アレイと０．５８λ導波路を使用して、パラメトリックオーディオビームを＋１０°にステアリングする様子を示している。

図１２は、角度（°）のｘ軸１２１０およびｄＢ単位のｙ軸１２２０を有するグラフ１２００を示し、通常のプロット１２３０および導波路のプロット１２４０を有する。具体的には、図１２は、図１に示した１．２λ（通常）の直線アレイと０．５８λの導波路を使用して、パラメトリックオーディオビームを＋２０°にステアリングする様子を示している。

図１３は、角度（°）のｘ軸１３１０およびｄＢ単位のｙ軸１３２０を有するグラフ１３００を示し、通常のプロット１３３０および導波路のプロット１３４０を有する。具体的には、図１３は、図１に示した１．２λ（通常）の直線アレイと０．５８λの導波路を使用して、パラメトリックオーディオビームを＋４０°にステアリングする様子を示している。

図１３は、周波数（Ｈｚ）のｘ軸１４１０およびＳＰＬ（ｄＢ）のｙ軸１４２０を有するグラフ１４００を示し、通常のプロット１４３０および導波路プロット１４４０を有する。具体的には、図１４は、導波路の有無にかかわらず、１６×１６ ４０ｋＨｚトランスデューサアレイからのパラメトリックオーディオの周波数応答を示している。

したがって、図１１、図１２および図１３は、１．２λ間隔の４０「ｋＨｚ」アレイそのものと比較した、図１に示す導波路のパラメトリックオーディオステアリング性能を示している。直ぐに分かるように、導波路のほぼ臨界間隔の出口開口部は、グレーティングローブビームとその結果のオーディオを排除する。これは、ここで提示される発明が、臨界間隔を可能にすることによって、任意のサイズのトランスデューサから任意の角度へのパラメトリックオーディオの積極的なステアリングを可能にすることを示している。さらに、図１４に示すように、周波数応答はほとんど影響を受けない。

Ｄ．導波路の設計および動作

導波路を使用してフェーズドアレイを適切に動作させるには、出力を調整して導波路自体を補償する必要がある。言い換えれば、各トランスデューサの位相と振幅を正確に調整して駆動する必要があるのと同様に、導波路経路によって引き起こされる相対的な変化も補償する必要がある。例えば、ある導波路パスがπ／４の位相オフセットを引き起こし、同じアレイの別の導波路パスがπ／２シフトを引き起こす場合には、このオフセットは、与えられたフィールドの活性化係数を計算するときに、各トランスデューサの目的の位相からそれぞれ減算する必要がある。各トランスデューサの振幅と位相の両方を複素数と見なし、導波路の減衰と位相遅延をさらに複素数と見なすと、導波路の補正係数の適用は、第１を第２で除算することで実現できる。この補償がなければ、フィールドは導波路によって変形され、歪められる。さらに、活性化係数が飛行時間を説明するモデルを使用して生成される場合、係数が計算されるときに導波路によって引き起こされる時間遅延を補償する必要がある。

位相オフセットと時間遅延は、経験的またはシミュレートされた方法を使用して導出できる。時間はかかるが、最も簡単な方法は、各導波路パスに関連する位相オフセットと時間遅延を直接測定することである。１つの構成では、位相は、制御信号を参照して連続単色駆動で測定することができ、時間遅延は、インパルス、チャープ、または制御経路との比較で測定することができる。もう１つの方法は、シミュレーションで位相と時間遅延を計算することである。これは、有限要素モデル（ＦＥＡ）やパイプや適切な構造の解析モデルのような洗練されたもので行うことができる。前のセクションで示したデータでは、各導波路パスの長さを使用して位相オフセットを計算した。これを自由空気中の超音波励起の波長で割ると、適切な位相オフセットを表す剰余が得られる。これは、１５「ｃｍ」でアレイの真上に生成された焦点の強度と位置を測定し、モデルと比較することによって高精度化された。各チューブの有効長を８％増やすと、シミュレーションにうまく適合した。前述のように、この補償がなければ、導波路構造は予想されるフィールドを生成しない。

ここでの議論のほとんどは、送信用の導波路に関するものであったが、それらは受信用にも機能する。導波路の一方の端に配置された受信機は、超音波が導波管の反対側の端にある開口部に向けられた場合にのみ、信号を受信して生成する。重要な間隔での受信システムは、グレーティングローブアーティファクトによって作成されるエイリアシングされたゴーストイメージから解放される。さらに、導波路の開放開口をホーンまたは同様の構造に成形すると、開放空気中の受信素子と比較して感度が向上する可能性がある。

図１に示される導波路は、本発明から可能な１つの配置のみを表す。導波路経路、この場合は半径が減少する直線管は、直線である必要はなく、半径が減少し、断面が円形である必要はなく、材料の空隙であってもよい。超音波が導波路経路を伝播でき、その位相オフセットと時間遅延が十分に特徴付けられ、一貫している限り、アレイの操作に使用することができる。例えば、直線的なアレイを葉序的な疑似ランダム配置に変換する導波路は、確かに直線的なチューブを含まず、非円形の断面を組み込む可能性がある。別の構成では、導波路を使用して角の周りで音場を曲げ、各導波路経路を曲げて元の導波路に対して９０°の出口開口を有することができる。別の構成では、導波路経路の断面は、出口開口付近で再び広がる前に狭めることができる。この狭小化により、トランスデューサの音響インピーダンスが増加し、その音響出力が向上するだけでなく、ホーンのような出口開口部が提供されて外気への結合が増加します。別の構成では、様々なトランスデューサ、例えば、混合周波数または放射電力を同じアレイ内で利用することができ、導波路はそれらすべてを統一された放射領域にもたらすことができる。

導波路は、様々な材料で構成することができる。これには、金属、プラスチック、さらには柔軟なポリマーが含まれる。構成材料の音響インピーダンスは、超音波が１つの導波路パスから別の導波路パス（アレイ内のクロストーク）を通過するのを防ぐために、空気の音響インピーダンスよりも十分に高くする必要がある。ほとんどの固体は、空気に比べて音響インピーダンスが少なくとも２桁高いため、これは難しくない。これにより、プラスチック管などの柔軟な材料を導波路の一部として使用することが可能になる。例えば、金属または硬質プラスチックで構成された出口アパーチャアレイを、プラスチックまたはポリマーチューブを使用してトランスデューサの入力アレイに結合することができる。次に、それぞれを個別に取り付けることができ、フレキシブルチューブが接続を橋渡しすることができる。ポリマーチューブは、使用期間中に柔軟性を維持するか、取り付け後に何らかの方法（例えば、ＵＶ）で硬化することができる。長さと形状が組み立て中に固定されることを考えると、位相オフセットと時間遅延は、配置の正確な詳細に関係なく、理由の範囲内でほとんど変更されないままにする必要がある。極端な角度またはピンチ／ブロックされたチューブは、明らかに歪みを引き起こす。より高い精度が必要な場合は、測定またはシミュレーションにより、必要な２次補正を行うことができる。

プラスチックまたはポリマーに加えて、導波路の一部または全部に金属を使用することができる。金属には、導波路が空気を容易に閉じ込めて過度の蓄熱を引き起こす可能性があるため、ヒートシンクとして機能するという利点がある。

導波路の断面は、半径が減少する曲線である必要はなく、単純なチューブとして機能する必要もない。導波路経路に沿って半径を比較的急激に減少させて、ヘルムホルツ共鳴器のような設計を作成することが可能である。この手段を使用すると、大容量のチャンバーはトランスデューサの出力効率を向上させ、出口開口部をまとめて臨界間隔に近づけることができる。

導波路経路内の容積は、完全に空である必要はない。必要に応じて、エアロゲルなどの充填材を導波路に充填して、異なる音響インピーダンスを提供することができる。音響インピーダンスのマッチングに加えて、さまざまな素材が耐水性などの環境保護を提供する。

導波路の製造は、さまざまな技術で行うことができる。図１に示され、実験的に証明されたアレイ設計は、付加製造技術（ＦＤＭ ３Ｄ印刷）を使用して作成された。例えば、図１に示す導波路は、４回折り曲げられて対称であり、４つの同一の部品を接続して最終製品を形成することができる。別の製造方法では、適切な長さの直線状のポリマーチューブを多数接続して成形し、ガラス転移温度近くまで加熱する。次に、フォームを外部から適用して、チューブの塊を最終的な導波路フォームに押し込むことができる。この外力は、真空バッグや、金属チューブの場合は水圧に似ている。一度に１つの導波路チューブを製造し、それらを接着／融合して最終製品にすることも可能である。

ここで提示される開示は、超音波フェーズドアレイの変換が、出力またはフィールド合成能力を大幅に失うことなく、ある構成から別の構成に変換することを可能にする。これにより、任意のサイズの変換要素から、臨界的に間隔をあけた、または疑似ランダムな配置が可能になる。

本開示の目的は、同様の位置にある静止またはゆっくり動くマイクロホンの測定値と合理的に一致する超音波フェーズドアレイから音圧の推定値を生成することである。

フィールドでの瞬間的な圧力または強度または他の測定基準を計算する方法を詳述する方法がある。ここでは、一連のアルゴリズムが計算リソースを効率的に使用して、時間平均メトリックを計算する。これらは、ホットスポットや必要以上の圧力を特定して調整するのに役立つ。

超音波フェーズドアレイからの電界強度の推定は、関心のあるポイントへの各トランスデューサの寄与を合計することによって行うことができる。この寄与は、収束する球面波を作成するときにすでに計算されている。この計算を再利用して、仮想マイクロホンをシステムに追加うることができる。このマイクロホンを監視し、新しいフォーカスポイントに合わせて移動することで、フィールド推定と調整の堅牢なシステムを確立することができる。

Ｅ．追加の開示

１．超音波アレイは、
Ａ）複数の超音波トランスデューサと、
Ｂ）動作音響波長と、
Ｃ）複数の音響キャビティとからなり、
Ｄ）各キャビティは、入口開口部および出口開口部を有し、
Ｅ）各入力開口部は、単一のトランスデューサから超音波を受け入れ、
Ｆ）キャビティの出口開口部の幾何学的中心の少なくとも２つは、互いに１波長未満離れて位置しており、
Ｇ）出口開口部から現れる超音波は、入力開口部に入ったときに対して位相オフセットを有し、
Ｈ）少なくとも２つのキャビティが異なる位相オフセットを有する。

２．少なくとも１つのキャビティの位相オフセットが反転され、放出前に少なくとも１つのトランスデューサ駆動の位相に適用される、前記項目１に記載の装置。

３．超音波は、可聴音を生成するように変調される、前記項目２に記載の装置。

４．超音波は、空中ハプティクス効果を生成するように変調される、前記項目２に記載の装置。

５．超音波を使用して物体を浮揚させる、前記項目２に記載の装置。

６．出口開口部から現れる超音波は、入力開口部に入ったときとは異なる振幅を有する、前記項目２に記載の装置。

７．振幅オフセットは、放出前に少なくとも１つのトランスデューサの振幅を修正するために使用される、前記項目６に記載の装置。

８．出口開口部が実質的に同一平面上にある、前記項目３に記載の装置。

９．音声は、平面に対する法線から１５°を超える角度で向けられる、前記項目８に記載の装置。

１０．音声は、平面に対する法線から３０°を超える角度で向けられる、前記項目８に記載の装置。

１１．音声は、平面に対する法線から４５°を超える角度で向けられる、塩基項目８に記載の装置。

１２．音声は、平面に対する法線から６０°を超える角度で向けられる、塩基項目８に記載の装置。

１３．振幅オフセットが２ｄＢ以内である、前記項目６に記載の装置。

１４．キャビティが、入口開口部から出口開口部まで減少する半径を有する真っ直ぐな円筒からなる、前記項目１に記載の装置。

１５．波長が９ｍｍ未満である、前記項目１４に記載の装置。

１６．出口キャビティのピッチが６ｍｍ未満である、前記項目１４に記載の装置。

１７．位相オフセットは、装置のメモリに格納される、前記項目２に記載の装置。

１８．振幅オフセットは、装置のメモリに格納される、塩基項目６に記載の装置。

ＩＩ．異なるキラリティーのトランスデューササブタイル

上記の開示では、グレーティングローブ構造を多くの断片に分割する不均一な構造の例として、葉序らせんを説明した。ただし、図１５に示すように、点焦点１５００のボロノイ図を見ると分かるように、製造を容易にするために使用するのは困難である。

葉序らせんの点焦点のこのボロノイ図から分かるように、「種子形状（ｓｅｅｄ ｓｈａｐｅ）」は、厚さがフィボナッチ数列にほぼ従うように見えるバンドでダイヤモンド状の形状と六角形のような形状の間を移動する。制限内に単一の形状は存在しないため、このアプローチに基づく設計に最適なトランスデューサの形状が１つもないことは明らかである。

ボロノイセルの連続的に変化する形状は、出力の関数がこの小さな形状の変化でほとんど変化しないため、広帯域応答で非共振の変換要素のアレイの合理的な設計をもたらすが、狭帯域共振構造を考慮する場合、これには、現在商業的に実行不可能な各構造の慎重な調整が必要になる。共振デバイスは、圧電効果に基づくデバイスを含む既存の技術の大部分をカバーしており、結晶構造に電気を通し、機械的な曲げを作成する。

図１６に示されているのは、葉序らせん状に配置された円形トランスデューサ１６４０が中央の正方形１６３０に比較的密に詰め込まれていることを示すプロット１６００であるが、円形トランスデューサは製造コストが高くなる可能性がある。ｘ軸１６１０はメートル単位である。ｙ軸１６２０はメートル単位である。上記の開示では、円形の変換器を図１６のように葉序らせん状に配置する方法も示されているが、コストを削減するために、変換器の設計またはレイアウトには直線的な要素が含まれる可能性が高くなる。

正方形の変換器は、回転を必要としない単純な配置が図１７に示される配置をもたらすので、位置決めがより困難である。

図１７に示されているのは、中央の正方形１７３０に比較的密に詰め込まれた葉序らせん状に配置された正方形の変換器１７４０を示すプロット１７００である。ｘ軸１７１０はメートル単位である。ｙ軸１７２０はメートル単位である。葉序らせんの構成で正方形のトランスデューサを直線的に配置した結果、隙間のない均一なパッキングは、より大きな正方形１７３０として重ねられる。

単一化された単位トランスデューサを葉序配置で使用し、正方形トランスデューサのセットの直線的配置のみを可能にすることで、無駄なスペースを持たない同等の均一な正方形パッキングの面積の２倍を超える構成が得られる。アレイの電力出力は単位面積あたりこの因子によつて減少するため、これは問題となる。パッキング密度が高いほど、占有されていない領域に失われる単位面積あたりのエネルギーは少なくなる。

これは、図１８に示すように、単体化されたユニットを回転させて、直線的に整列された配置を壊すことができる場合に改善することができる。ここで、シミュレーション１８００は、四角形１８１０内のらせんの中心に向かって角が向いているトランスデューサを配置した結果を示している。密度をさらに高めるために、葉序パターンは内側に構築されており、正方形の要素が重なっている場合は、重なりが解消されるまで角度位置が増分される。また、べき乗は、中心からの距離を表す従来の０．５ではなく、０．４３９２の指数にわずかに下方修正される。ただし、この構成でも、密集した代替品よりも約４０％余分な領域が使用されているため、領域が制限されたアレイからの焦点での出力が約３ｄＢ低下する。これは望ましくないため、トランスデューサの完全に高密度のパッキングを見つけることが推奨される。これは、シートまたはロールとして製造するように設計できるため、製造の観点から有益である。ただし、不均一配置の要件も満たす高密度充填を見つけることは困難である。

表面に取り付けられたトランスデューサの高密度パッキングは、平面のタイリングに相当する。低減または除去する必要があるグレーティング効果は、事実上、波動現象がトランスデューサの放射位置の「格子」と相互作用した結果であるため、配置のフーリエ変換を行うことで効果を事前に決定でき、モデル化されたブラッグ回折パターンに相当する結果が得られる。次に、効果的なパターンを見つけるには、弱く分散したブラッグ回折パターンを持つトランスデューサの放射位置の「格子」を見つける必要がある。

直線系のブラッグ回折は、図１９に示されるように、直線グリッドによって再び分離された余分な偽像によって囲まれた中心焦点を有する、対応するグレーティングローブ構成をもたらす。図１９は、トランスデューサ素子の正方格子のブラッグ回折１９００を示し、この幾何学的レイアウトによって生成されたグレーティングローブ構成を示している。

結晶系の分子モデルとして、特に準結晶および金属の混合物のモデルとしての特性のために、平面の多くの興味深い平面非周期的なタイリングが研究されており、タイリングのブラッグ回折をＸ線結晶構造解析の問題の類似物として説明している文献がある。このために、Ｓｅｎｅｃｈａｌ，Ｍ．の論文「Ｔｉｌｉｎｇｓ，Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｑｕａｓｉ－ｃｒｙｓｔａｌｓ」を考慮すると、ブラッグ回折と並んで研究されている最も興味深い２つのタイリングシステムは、平面をタイリングするためのバイナリシステムと風車システムである。

考慮される最初のシステムは、図２０に示すように、変換要素がタイリングに存在する太いひし形と薄いひし形の２つの形状をとる「バイナリ」タイリングのシステムである。図２０は、「バイナリ」タイリング２０００を示している。ペンローズ菱形タイリングに関連する、五角形の対称性を持つ非周期的なタイリングであり、もともと化学混合物をモデル化するために使用されたもので、２つの異なるタイプの菱形で構成されている。

図２１Ａおよび２１Ｂに示されるのは、「バイナリ」タイリングのブラッグ回折である。図２１Ａは、可能性のあるトランスデューサアレイのための要素２１００のバイナリタイリングおよび選択を示す。図２１Ｂは、回折２１５０における５回折り曲げられて五角形対称を示し、ここではより十角形対称であるように見える。図２１に示すシステムのブラッグ回折を考慮すると、ほとんどの場合、十分に広がっている。ただし、異なる音響特性の観点から、２つの異なる太いひし形と薄いひし形のトランスデューサ設計を製造し、周波数応答を調整するには、時間がかかり、曲げ構造の厚さなどの異なるプロセスが必要になる場合がある。さらに、より大きな要素セットを構築するために簡単に並べて表示できるパターンは存在しない。

図２２Ａおよび２２Ｂに示されているのは、風車タイリングおよびそのブラッグ回折である。図２２Ａは、風車タイリング２２００および代表的なトランスデューサタイルとして選択された要素を示す。図２２Ｂは、この構成のブラッグ回折２２５０を示す。この２番目のシステムは、図２２に示すように、各トランスデューサ要素が１、２および√５の比（比率）の辺を持つ直角三角形で構成される風車タイリングである。ブラッグ回折から分かるように、風車タイリングの要素の周波数分布は、周波数領域で実質的に乱れている。前述の２つの最終的なタイルのうち、本構成は製造にとってより魅力的である。これは、第一に、この設計で生成される形状が１種類しかないためであり、第二に、直角三角形は、斜めに切断されたアスペクト比１：２の長方形として斜めに切断されたものとして実現できるためであり、これにより、アスペクト比１：２の長方形とカットでの製造が可能になり、ほとんどの部分で使用される直線要素のプロセスが可能になる。

風車のタイリングもフラクタルであり、同じ形状の１つの三角形の面積に完全に収まるが、これらの適合した三角形の５倍の面積があり、辺の比が１、２および√５の５つの直角三角形のセットが存在する。

図２３に示されているのは、三角形２３００であり、これらの内部に再度設定することもでき、風車フラクタル構造に存在する直角三角形モチーフの形でより大きな配列を生成するために、５の任意の整数乗は、この方法で直角三角形に構築できる（５、２５、１２５等）。これらは、左手および右手の三角アレイ用の設計である。最上部２３１０および中間底部２３３０の列は可能な圧電材料の配置を示し、中間上部２３２０および最下部２３４０の列は潜在的なトッププレート構造を示す。

また、フラクタル風車タイリングの左右のキラル構造も示されている。また、単一のシートから完全な構造を潜在的に製造したり、示されている点で一緒に取り付けたりすることを可能にする形式も示されている。さらに、波を生成するために振動板を取り付けることができる場所、または通気口の場所を選択する潜在的な方法をトポロジー的に示すことができる、薄い陰影を付けた場所が示されている。それらが単独で製造された場合、これらの直角三角形フラクタルタイルには、左手と右手の直角単一要素を同数使用しないという欠点があり、考慮しないと物流上の問題が発生する可能性がある。

図２４に示すように、元々１、２および√５の比の辺を持つ大きなフラクタルタイルは、１：２のアスペクト比の長方形配列に再構築することができる。図２４は、左利きおよび右利きの「ドミノ」アレイの設計２４００を示している。「ドミノ」という名前は、構成が「カイト＆ドミノ」と呼ばれる関連するタイリングパターンに関係しているため、適切である（また、同じ数の要素を持つ配列を生成するために、２つの直角三角形配列要素の１つの方向をそれらの共有斜辺に沿って反転させることによって、代わりに凧型の配列を作成することもできる）。最上部の２４１０列と最下部の２４３０列は可能な圧電材料の配置を示しており、上部の中央部２４２０列と最下部の２４４０列とは可能な上部プレート構造を示している。

これらの配列は、示されるように、５の整数乗に２つの要素（１０、５０、２５０等）を乗じたものを含むことができ、それらは純粋に非対称であるため、等しい数の左手および右手の三角形を必要としなければならない。これは、処理中に考慮すべき特別なケースが少なくなるため、単一要素の製造の場合に適している。

図２５は、「正方形」アレイの４つのバリアントすべての設計２５００を示している。アキラル反対称設計では、単一要素間の陰影の違いによって強調される左手と右手の要素の数が非常に異なる必要があることに注意する必要がある。

図２５に示される異なるキラリティー２５１０、２５２０、２５３０、２５４０、２５５０、２５６０、２５７０、２５８０のこれらの長方形のサブタイルから、左手および右手構成の対称および非対称変形の４つの異なる正方形アレイ構成が存在し得る。ただし、非対称バリアントでは、左のサブタイルのみで、対称バリアントは左と右のサブタイルを使用し、左と右の要素の数が同じであるが、異なる数の個別の左右の元素キラリティートランスデューサを使用するというトレードオフがある。これらの効果は、必要な処理の各ステップの相対的なコストに応じて、最適化された製造手順を実現するためにトレードオフされる場合がある。これらの正方配列の要素数は、４に５要素の整数乗を乗じたものになる（２０、１００、５００等）。この結果、左右のサブタイルを製造する必要があるか、異なるキラリティーで消費される圧電結晶片の量が異なるが、自然の風車タイリング圧電結晶切断アプローチでは、これは問題にならない。

これらの前述のアレイタイリング設計は、その優れた回折特性を使用するために風車タイリングのサブセクションを取得することによって生成される部分テッセレーションを排除するべきではない。

この設計に対する残りの障壁の１つは、変換要素のエッジがクランプされ、境界条件が存在する場合、圧電結晶に結合された構造が、効率的な出力を生成するのに十分な変位で曲がらない可能性があることである。

図２６に示すように、ヘルムホルツ方程式を使用して固有モードをシミュレートすることにより、単位インパルスによって生成される変位を考慮することができる。圧電プレートの変位をシミュレートすると、図２７に示すように、目的の形状に適合する圧電トランスデューサを作成できることが明らかになる。図２８に示すように、スロットをカットすると変位が増加するが、共振周波数が減少する。

具体的には、図２６は、振動の調和モードをもたらす三角形２８１０ａ、２８１０ｂ、２８１０ｃ、２１８０ｄ、２１８０ｅ、２１８０ｆ、２１８０ｇ、２１８０ｈおよび２１８０ｉ上のヘルムホルツ方程式の解の固有モード２８００を示す。モードごとに、ヘルムホルツ解の形状を外挿して、モードによって作動する音響遠方界を説明することができる。これは、同様の周波数での受信素子の指向性のパターンとして、逆に使用することもできる。各モードが複雑なフィールドを生成し、異なる周波数にまたがる複数の高調波を組み合わせることで、遠距離場への受信または送信により、遠距離場への空間オフセットを、特に角度で識別することができ、方位角と仰角にパラメータ化される。個々のトランスデューサ要素の非対称性の性質により、これは可能であるが、これをタイリングの不合理で非反復的な周波数動作と組み合わせることで、効果をさらに強化することができる。これらの形状、タイリング、ハーモニクスを使用して作動および／または受信することにより、潜在的に複数の要素にまたがる、そのような要素または要素のグループによって生成される音響の遠方場と交差するオブジェクトの正確な位置は、これらの要素またはマイクロホンによって受信された信号をアルゴリズムまたはその他の方法で調査することによって推定される可能性がある。同様に、信号は単純なトランスデューサによって放出され、前述のようなアレイによって受信されてもよい。この結果、すべての高調波と受信機を使用することで、潜在的に個々のトランスデューサに対してさえ角度位置を追跡することができる。

図２７に示されているのは、風車タイルへの挿入のための直角三角形形状２６４０の圧電アクチュエータの曲げモードの最大ｚ偏向のシミュレーション２６００である。ｘ軸２６１０はミリメートル単位である。ｙ軸２６３０はミリメートル単位である。ｚ軸２６２０はマイクロメートル単位である。スケーリングは右側のバー２６５０に表示される。

図２８に示されているのは、風車タイルへの挿入のための直角三角形形状２７４０の圧電アクチュエータの曲げモードの最大ｚ偏向のシミュレーションである。これには、曲げモードを強調するスロットカットがあるが、タイルの共振周波数は低下する。ｘ軸２７１０はミリメートル単位である。ｙ軸２７３０はミリメートル単位である。ｚ軸２７２０はマイクロメートル単位である。スケーリングは右側のバー２７５０に表示される。

正しい重心で動作するすべてのデバイスがこのタイリング手順を利用する可能性があるため、この場合、この物理的フットプリントを使用して波を生成するテクノロジーを作成するだけで済む。正確な技術は、圧電トランスデューサ素子である必要はなく、静電、ＭＥＭ、ＣＭＵＴ、ＰＭＵＴ、またはその他の一般的な技術またはプロセスであってもよい。本発明は、要素間ギャップを大幅に削減または排除した二次元平面の完全または部分空間パッキングを生成する任意のトランスデューサプロセスに適用することができる。

追加の開示は以下を含む。：
１．１：２：√５の比を形成する辺を有する三角形に適用される重心座標によって物理的特徴の位置を記述することができる三角形トランスデューサのアレイ。
２．トランスデューサが音響トランスデューサを含む、前記項目１に記載のアレイ。
３．トランスデューサが、電磁信号をビーム形成するためのアンテナのアレイを備える、前記項目１に記載のアレイ。
４．１：２：√５の比を形成する辺の三角形は、特徴位置を生成するために重心座標が適用され、それ自体は、辺が１：２：√５の比を形成する他の三角形の再区分である、前記項目１に記載のアレイ。

５．トランスデューサの１つまたは複数のタイルを含み、それぞれが部分的な葉序螺旋パターンの多くの正方形のトランスデューサで構成され、トランスデューサの２つの対向する角と、タイル上の音響トランスデューサ要素に共通の空間内の点とが同一線上にあるアレイ。
６．トランスデューサが音響トランスデューサを含む、上記項目５に記載のアレイ。
７．トランスデューサが、電磁信号をビーム形成するためのアンテナのアレイを備える、上記項目５に記載のアレイ。
８．各トランスデューサの反対側の角と同一線上にある空間内の共通点は、トランスデューサ要素のタイル上にない、前記項目５に記載のアレイ。

９．１つまたは複数の非対称トランスデューサを含み、複数の安定した非対称共振モードから複数の周波数で生成された場を使用して、複数の周波数で場を検出するトランスデューサの位置を特定する装置。
１０．トランスデューサが音響トランスデューサを含む、上記項目９に記載の装置。
１１．トランスデューサが、電磁信号をビーム形成するためのアンテナのアレイを備える、上記項目９に記載の装置。
１２．トランスデューサが三角形の形状であり、物理的特徴の位置が、比率１：２：√５を形成する辺を有する三角形に適用される重心座標によって記述できる、上記項目９に記載の装置。
１３．フィールドを検出するトランスデューサが、複数の周波数でフィールドを検出できる複数の安定した非対称共振モードを有する非対称変換器でもある、上記項目９に記載の装置。
１４．検出器の複数の共振周波数で複数の安定した非対称共振モードを使用して検出された音場が、任意の音場であり得る、上記項目９に記載の装置。

ＩＩＩ．再帰的手法を使用したトランスデューサの配置

正方形のトランスデューサは、直線的な配置に最適で、無駄な領域がない。ただし、放出される波長と同程度のサイズである場合、グレーティングローブが発生する可能性がある。正方形のトランスデューサを葉序らせん状に配置すると、二次焦点を壊すことができるが、少なくとも４０％の充填密度の減少が必要となる。４０％のパラメータを達成するには、個々のトランスデューサを個別化する必要があり、製造コストが増加する。

ここで提示される発明は、パッキング密度とグレーティングローブの大きさを減少させる効果との間の調整可能なバランスを達成するために、正方形のトランスデューサの配置を調整するための再帰的手法を詳述する。

図２９に示されているのは、正方形の単位セルを新しい配置に配置するための基本的なステップを詳述するシミュレーション２９００である。直線配置２９１０から始めて、ユニットセル１およびユニットセル２は量「ａ」だけ右に移動する（２９２０）。次に、ユニットセル２およびユニットセル３は量「ｂ」だけ下に調整される（２９３０）。これに続いて、ユニットセル３およびユニットセル４が量「ｃ」で左に移動し（２９４０）、ユニットセル１およびユニットセル４が量「ｄ」で上に移動する（２９５０）。２ｒで与えられる正方形のユニットセルの１つのエッジのサイズを使用すると、ユニットセルの中心の位置が次のように変わる。
ユニット１＝［－ｒ＋ａ，ｒ＋ｄ］
ユニット２＝［ｒ＋ａ，ｒ－ｂ］
ユニット３＝［ｒ－ｃ，－ｒ－ｂ］
ユニット４＝［－ｒ－ｃ，－ｒ＋ｄ］
ここで、表記は［ｘ位置，ｙ位置］で与えられる。調整パラメータ（ａ、ｂ、ｃ、ｄ）を慎重に選択すると、対称性を破るすべての要素を配置することができる。

図３０に示されているのは、要素のより大きなアレイを構築するためにこの方法がどのように再帰的に拡張されるかを示すシミュレーション３０００である。具体的には、これは、１６×１６要素配列３０１０に再帰的に列挙された４×４タイルの図である。オフセット値（ａ’３０２０、ｂ’３０３０、ｃ’３０４０、ｄ’３０５０）は、再帰の前のラウンドから繰り返すか、新しく生成することができる。

図３１に示されているのは、回転３１１０またはミラーリング３１２０または両方３１３０によって提供されるいくつかのバリエーションの可能性を示すシミュレーション３１００である。これにより、配置のランダム性が高まり、特定のパッキング密度でのパフォーマンスが向上する。これは、単純なオフセットタイリングのバリエーションを示している。各タイルが複製されると、鏡像化または回転することができる。オフセット値と同様に、これらの手法を再帰的に繰り返して、ますます大きな配列にすることができる。

最も効果的な配置を決定するには、シミュレーションを使用する必要がある。これは、完全な非線形有限要素アプローチのように高度な計算を行うことも、線形ホイヘンスモデルのように単純にすることもできる。例として、アレイ活性化係数は、焦点が［ｘ，ｙ，ｚ］＝［４０ｍｍ，０，２００ｍｍ］に向けられるように計算することができ、ホイヘンスモデルはその平面内でフィールドをある程度大きく計算する。アレイが臨界間隔よりも密度が低い場合、グレーティングローブの二次焦点がその平面のどこかに現れる。アレイ配置が効果的である場合、この焦点は空間に分散され、ピーク二次圧力（焦点ではない）は焦点と比較して低くなる。焦点圧力とピーク二次圧力との対比は、異なる配置を比較するための指標を形成する。回転またはミラーリングの有無にかかわらず、多数のスキュー値を検索して、特定のパッキング密度に最適なパフォーマンスを選択することができる。

図３２－３４は、６１ｋＨｚで動作する７ｍｍ角のトランスデューサを使用して、グレーティングローブエネルギーを効果的に分配し、二次焦点を防止する疑似ランダム配置のいくつかの例を示している。

図３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃおよび３２Ｄは、回転３２００、３２１０、３２２０、３２３０を使用して構築された７ｍｍ角のトランスデューサの２５６素子アレイの例を示している。この例では、再帰の各ラウンドで［ａ，ｂ，ｃ，ｄ］＝［１．６ｍｍ，１．３ｍｍ，１．１ｍｍ，０．７ｍｍ］である。

図３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃおよび３３Ｄは、回転およびミラーリング３３００、３３１０、３３２０、３３３０を使用して構築された７ｍｍ角のトランスデューサの２５６素子アレイの例を示している。この例では、［ａ，ｂ，ｃ，ｄ］＝［１．６ｍｍ，１．３ｍｍ，１．１ｍｍ，０．７ｍｍ］であり、図１７と同様であるが、結果は改善されている。

図３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃおよび３４Ｄは、回転およびミラーリング３４００、３４１０、３４２０、３４３０を使用して構成された７ｍｍ平方トランスデューサの２５６要素アレイの例を示す。この例では、［ａ，ｂ，ｃ，ｄ］＝［０，１．９ｍｍ，０，０］を再帰の最初の２ラウンドに使用すると、オフセットは追加されず、最後の２ラウンドは回転のみになる。

葉序らせん配置と比較したこの手法の利点の１つは、アレイをタイルに組み込むことができることである。配列サイズを４倍にする各再帰的配置ステップは、前の単位セルをその基礎として使用し、配置を新しい正方形に配置するときに、配置を回転、ミラーリング、および傾斜させるだけである。その結果、このユニットセル（および使用されている場合はそのミラー）をユニットとして製造し、より大きなアレイに組み立てることができる。

この手法は正方形の配列を生成するが、満足のいく正方形の配置が見つかった場合は、元の正方形の配置とほぼ同じくらい効果的にグレーティングローブの焦点を広げる非正方形のサブアレイに分割することができる。これらの非正方形の配置を一緒に使用して、より大きな非正方形の形状を作成することができる。サブユニットの開始数が各サブユニット内のトランスデューサの数に匹敵する場合にのみ、グレーティングローブの問題が再浮上する可能性がある。

ここで提示される本発明の重要な利点は、有効な解の探索空間が、ランダムな任意の配置に比べて大幅に削減されることである。このシステムで変化する可能性のあるパラメータは、再帰の各ラウンドのオフセットと、ミラー、回転、またはその両方の決定である。これにより、厳密に制限された検索スペースが可能になり、必要な計算が管理可能なサブセットに削減される。

図３５は、６１ｋＨｚで２５６個の７ｍｍ四方のトランスデューサを使用してシミュレートされた最良の再帰的オフセットアレイを示すグラフ３５００である。ｙ軸３５２０は、焦点圧力とピークグレーティングローブ圧力との間の差である。ｘ軸３５１０は、各アレイの総面積を示す。「最良の１タイルの結果」ライン３５３０は、密度が低いにもかかわらず、密集した直線から葉序的らせんパフォーマンスの範囲のパフォーマンスを持つ回転ソリューションのみ（ミラーリングには「２番目のタイル」を製造する必要があるため）を見つけることができることを示している。「最良の２タイルの結果」ライン３５４０は、ミラーリングを追加することにより、単一化や個々の要素の回転を必要とせずに、同様のパッキング密度で１．５ｄＢ以内の葉序的らせんパフォーマンスのソリューションを実現できることを示している。さらに、アレイのスペースが限られている場合、所与の領域に対して、グレーティングローブエネルギーを分散させる効果的なソリューションが生成される。

プロットに含まれる他の点は、密集した直線（正方形アレイ３５５０）、回転した正方形要素を持つ葉序らせん（正方形回転ヒマワリ３５８０）であり、３つの三角形要素アレイ３５６０（他の場所で説明）を推定し、－３ｄＢ（３５７０）および－４ｄＢ（３５９０）での放射の減少と同様に正方形への放射が等しくなる。

追加の開示は以下を含む。：
１．複数のトランスデューサからなる多数のタイルを有するアレイであって、変換が適用される前に各要素の新しいフットプリントがフットプリントと交差するように、物理的なトランスデューサの位置が剛体変換によって摂動され、それぞれの元のフットプリントが音響トランスデューサの均一なレイアウトを含むアレイ。
２．トランスデューサが音響トランスデューサを含む、上記項目１に記載のアレイ。
３．トランスデューサが、電磁信号をビーム形成するためのアンテナのアレイを備える、上記項目５に記載のアレイ。
４．物理的なタイル位置が剛体変換によって摂動され、変換が適用される前に各タイルの新しいフットプリントがフットプリントと交差する、上記項目１に記載のアレイ。
５．変換は、より大きなタイル配置を構成するより小さなタイル配置に再帰的に適用される、上記項目１に記載のアレイ。
６．単一のタイルが複製されて複数のタイルが生成され、次に剛体変換を使用して配置されて配列が生成される、上記項目１に記載のアレイ。
７．変換された配列がグレーティングローブ強度を減少させる、上記項目１に記載のアレイ。

ＩＶ．結論

前述の明細書では、特定の実施形態を説明した。しかしながら、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更を行うことができることを理解する。したがって、明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で見なされるべきであり、そのような修正はすべて、本教示の範囲内に含まれることが意図されている。

さらに、本明細書では、１番目と２番目、トップとボトムなどの関係用語は、そのような物または動作間の実際のそのような関係または順序を必ずしも要求または示唆することなく、ある物または動作を別の物または動作と区別するためにのみ使用される場合がある。「含む」、「有する」という用語、またはそれらの他のバリエーションは、非排他的な包含をカバーすることを意図している。プロセス、方法、物品、または装置が要素のリストを含む、有することは、それらの要素のみを含むのではなく、明示的に記載されていない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素を含む場合があることを意味する。「…を含む」、「…を有する」で始まる要素は、さらなる制約なしに、プロセス、方法、物品、または、要素を含む、有する、収容する装置における追加の同一要素の存在を排除するものではない。「ａ」および「ａｎ」という用語は、本明細書で特に断りのない限り、１つまたは複数として定義される。「実質的に」、「本質的に」、「およそ」、「約」という用語、またはその任意の他のバージョンは、当業者によって理解されるものに近いと定義される。本明細書で使用される用語「結合された」は、必ずしも直接ではなく、必ずしも機械的にではないが、接続されていると定義される。特定の方法で「構成」されている装置または構造は、少なくともその方法で構成されているが、記載されていない方法で構成されている場合もある。

開示の要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確認できるようにするために提供されているが、クレームの範囲または意味を解釈または制限するために使用されないことを理解して提出される。さらに、前述の詳細な説明では、開示を簡素化する目的で、様々な特徴が様々な実施形態にまとめられている。この開示方法は、特許請求の範囲に記載された実施形態が、各特許請求の範囲に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、本発明の主題は、開示された単一の実施形態のすべての特徴よりも少ない特徴にある。したがって、以下の特許請求の範囲は詳細な説明に組み込まれ、各請求項は個別に請求される主題として独立している。

Claims (20)

1. 複数の超音波トランスデューサと、
   動作音響波長と、
   複数の音響キャビティと、を有し、
   前記複数の音響キャビティのそれぞれは、入口開口部および出口開口部を有し、前記入口開口部が進入超音波を有し、前記出口開口部が幾何学的中心を有するとともに、出射超音波を有し、
   各前記入力開口部は、前記複数の超音波トランスデューサの１つから超音波を受け入れ、
   前記出口開口部の幾何学的中心の少なくとも２つは、互いに前記動作音響波長よりも短い間隔で離間しており、
   前記複数の音響キャビティのうちの第１の音響キャビティについて、第１の出射超音波が、第１の進入超音波に対して第１の位相オフセットを有し、
   前記複数の音響キャビティのうちの第２の音響キャビティについて、第２の出射超音波が、第２の進入超音波に対して第２の位相オフセットを有し、
   前記第１の位相オフセットが前記第２の位相オフセットと異なることを特徴とする装置。
2. 前記第１の位相オフセットは反転され、放出前に少なくとも１つのトランスデューサ駆動の位相に適用される、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の出射超音波は、可聴音を生成するように変調される、請求項２に記載の装置。
4. 前記第１の出射超音波は、空中ハプティック効果を生成するように変調される、請求項２に記載の装置。
5. 前記第１の出射超音波は、物体を浮揚させるために使用される、請求項２に記載の装置。
6. 前記第１の出射超音波は、前記第１の進入超音波に対して振幅オフセットを有する、請求項２に記載の装置。
7. 前記振幅オフセットは、放出前に少なくとも１つのトランスデューサの振幅を変更するために使用される、請求項６に記載の装置。
8. 前記出口開口部が実質的に同一平面上にある、請求項３に記載の装置。
9. 前記可聴音は、平面に対する法線から１５°より大きい角度で向けられる、請求項８に記載の装置。
10. 前記可聴音は、平面に対する法線から３０°より大きい角度で向けられる、請求項８に記載の装置。
11. 前記可聴音は、平面に対する法線から４５°より大きい角度で向けられる、請求項８に記載の装置。
12. 前記可聴音は、平面に対する法線から６０°より大きい角度で向けられる、請求項８に記載の装置。
13. 前記振幅オフセットが２ｄＢ以内である、請求項６に記載の装置。
14. 前記複数の音響キャビティが、前記入口開口部から前記出口開口部まで半径が減少する直線状の円筒を備える、請求項１に記載の装置。
15. 前記動作音響波長が９ｍｍ未満である、請求項１４に記載の装置。
16. 前記出口開口部のピッチが６ｍｍ未満である、請求項１４に記載の装置。
17. 前記第１の位相オフセットおよび前記第２の位相オフセットがメモリに格納される、請求項２に記載の装置。
18. 前記振幅オフセットがメモリに格納される、請求項６に記載の装置。
19. 前記出口開口部は、グレーティングローブ強度を生成するように配置される、請求項２に記載の装置。
20. 前記出口開口部は、外気への結合を増加させるホーン状の出口アパーチャを有する、請求項１９に記載の装置。
    
    

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